高三物理如何确定摩擦力的方向和大小

如何确定摩擦力的方向和大小※ 高考提示确定摩擦力的大小和方向，尤其注重具有很强隐蔽性的静摩擦力，加深对＂相对＂含义的理解，这些是目前高考命题中的重要考点．摩擦力问题几乎年年涉及，可以单独以选择题形式出现，也可以结合其它知识联合命题．摩擦力贯穿于整个力学的始终，把握好摩擦力方向的确定入其大小的计算，是解决力学问题的基础．※ 解题钥匙【例１】 下列关于摩擦力的说法中正确的是：（ ）A ．阻碍物体运动的力称为摩擦力B ．滑动摩擦力的方向总是与物体运动方向相反C ．静摩擦力的方向可能与物体运动方向垂直D ．接触面上的摩擦力总是与接触面平行【解析】摩擦力的作用效果是阻碍物体间的相对运动或相对运动趋势的，而不是阻碍物体的运动，因此A 选项错误．另一方面摩擦力的方向与相对运动方向或相对运动趋势方向相反，故B 选项错误．当相对运动趋势方向与运动方向垂直时，静摩擦力的方向就与运动方向垂直，故C 正确．摩擦力是切向力，故与接触面平行，D 正确．综上所述C 、D 正确．【点评】本题要求考生正确理解摩擦力的概念，并能把握相对运动与物体运动的区别．【例2】如图1.2-1所示物体B 放在物体A 上，A 、B 、的上下表面均与斜面平行，当两者以相同的初速度靠惯性沿光滑固定斜面C 向上做匀减速运动时（ ）A ．A 受到B 的摩擦力沿斜面方向向上B ．A 受到B 的摩擦力沿斜面方向向下C ．A 、B 之间的摩擦力为零D ．A 、B 之间是否存在摩擦力取决于A 、B 表面的性质【解析】斜面光滑，A 、B 以相同的速度靠惯性向上运动，以A 、B 所构成的系统为对象，则系统加速度a=g·sinθ，方向向下，令A 对B 的摩擦力为F f ，则对B ：m B gsinθ+F f =m B a B ，将a B =gsinθ代入有F f =0。

【例3】某人骑自行车前进时，地面对后轮的摩擦力为F 1，对前轮的摩擦力为F 2，则F 1和F 2的方向如何?试分析之.【解析】骑车人脚踩脚踏时，链条带动后轮欲转动，此时后轮相对地面有向后的运动趋势，地面作用于后轮的摩擦力F 1方向向前，在F 1作用下车身要向前运动，于是前轮相对于地面欲向前滑.此时地面作用于前轮一个向后的静摩擦力，使车轮转动起来.思考：人推自行车前进时，地面对前、后轮的摩擦力方向又怎样?【例4】如图1.2-2小车向右做初速为零的匀加速运动，物体恰好沿车后壁匀速下滑。

试分析下滑过程中物体所受摩擦力的方向和物体速度方向的关系。

解：物体受的滑动摩擦力的始终和小车的后壁平行，方向竖直向上，而物体的运动轨迹为抛物线，相对于地面的速度方向不断改变（竖直分速度大小保持不变，水平分速度逐渐增大），所以摩擦力方向和运动方向间的夹角可能取90°和180°间的任意值。

【点评】⑴摩擦力方向和物体间相对运动（或相对运动趋势）的方向相反。

图1.2-1图1.2-2⑵摩擦力的方向和物体的运动方向可能成任意角度。

通常情况下摩擦力方向可能和物体运动方向相同（作为动力），可能和物体运动方向相反（作为阻力），可能和物体速度方向垂直（作为匀速圆周运动的向心力）。

在特殊情况下，可能成任意角度。

【例5】长直木板的上表面的一端放置一个铁块，木板放置在水平面上，将放置铁块的一端由水平位置缓慢地向上抬起，木板另一端相对水平面的位置保持不变，如图1.2-3所示．铁块受到摩擦力f 木板倾角α变化的图线可能正确的是（设最大静摩擦力的大小等于滑动摩擦力大小）：（ ）【解析】本题应分三种情况进行分析：○1 当0 ≤α＜arctan μ（μ为铁块与木板间的动摩擦因数）时，铁块相对木板处于静止状态，铁块受静摩擦力作用其大小与重力沿木板面（斜面）方向分力大小相等，即f = mg sin α，α=0时，f = 0；f 随α增大按正弦规律增大．○2 当α= arctan μ时处于临界状态，此时摩擦力达到最大静摩擦，由题设条件可知其等于滑动摩擦力大小．○3 当arctan μ＜α≤900时，铁块相对木板向下滑动，铁块受到滑动摩擦力的作用，根据摩擦定律可知f = μF N =μmg cos α，f 随α增大按余弦规律减小．综合上述分析可知C 图可能正确地表示了f 随α变化的图线．【点评】本题由铁块运动状态的不确定性来巧妙地设计了考查静摩擦力、最大静摩擦力、滑动摩擦力三者区别的，这三者在产生条件和大小计算上都有一些区别，分析过程中要求考生能够从物体运动状态来进行科学分析与推理．【例6】如图1.2-4所示，质量为m 、横截面为直角三角形的物块ABC ，α=∠ABC ，AB 边靠在竖直墙面上，F 是垂直于斜面BC 的推力．现物块静止不动，则摩擦力大小为 ___________． 【解析】对三角形物块进行受力分析，如图 1.2-4(解)所示．由平衡条件可以有：f mg -αsin F -=0、N αcos F -=0解得摩擦力f = mg + F sin α．【点评】本题要求考生掌握物体的受力分析与平衡条件及处理平衡问题的数学方法．A B C F 图1.2-4 A B C D 图1.2-4(解) A C F mgN B f 点拨： 对摩擦力方向的理解 1.区分两种摩擦力:静止的物体也可能受滑动摩擦力的作用,运动的物体也可能受静摩擦力作用。

这里的“静”和“动”是针对接触面之间的相对运动而言的。

“运动”和“相对运动”以及“相对运动趋势”不同。

2．摩擦力的方向可能与运动方向相同——充当动力；可能与运动方向相反——充当阻力；也可能与运动方向成一夹角。

3．静摩擦力方向：（1）假设法，即假设接触面光滑，若两物体发生相对运动，则说明它们原来有相对运动趋势，并且原来相对运动趋势的方向跟假设接触面光滑时相对运动的方向相同，然后根据静摩擦力方向与相对运动趋势方向相反，便可确定静摩擦力的方向。

（2）结合物体的运动状态判断，由运动情况确定受力情况。

4．滑动摩擦力的方向：总是与物体“相对运动”的方向相反。

所谓相对运动方向，即是把与研究对象接触的物体作为参照物，研究对象相对该参照物运动的方向。

当研究对象参与几种运动时，相对运动方向应是相对接触物体的合运动方向。

图1.2-3【例7】如图1.2-5所示，质量分别为m 和M 的两物体P 和Q 叠放在倾角为θ的斜面上，P 、Q 之间的动摩擦因数为μ1，Q 与斜面间的动摩擦因数为μ2。

当它们从静止开始沿斜面滑下时，两物体始终保持相对静止，则物体P 受到的摩擦力大小为： A ．0； B. μ1mgcosθ; C. μ2mgcosθ; D. (μ1+μ2)mgcosθ;分析与解：当物体P 和Q 一起沿斜面加速下滑时，其加速度为：a=gsin θ-μ2gcosθ.因为P 和Q 相对静止，所以P 和Q 之间的摩擦力为静摩擦力，不能用公式f N =μ求解。

对物体P 运用牛顿第二定律得： mgsin θ-f=ma所以求得：f=μ2mgcosθ.即C 选项正确。

【例8】 如图1.2-6所示，质量为m 的物体放在水平放置的钢板C 上，与钢板的动摩擦因素为μ。

由于受到相对于地面静止的光滑导槽A 、B 的控制，物体只能沿水平导槽运动。

现使钢板以速度V 1向右匀速运动，同时用力F 拉动物体（方向沿导槽方向）使物体以速度V 2沿导槽匀速运动，求拉力F 大小。

分析与解：物体相对钢板具有向左的速度分量V 1和侧向的速度分量V 2，故相对钢板的合速度V 的方向如图1.2-6(解)所示，滑动摩擦力的方向与V 的方向相反。

根据平衡条件可得:F=fcosθ=μmg 22212V V V + 从上式可以看出：钢板的速度V 1越大，拉力F 越小。

【例9】把一重为G 的物体，用一个水平推力F=kt （k 为恒量，t 为时间）压在竖直的足够高的平整墙上（如图1.2-7），从 t=0开始物体所受的摩擦力F f 随t 的变化关系是下图1.2-8中的哪一个？ （ ）【解析】开始时推力F 为零，物体和墙面间没有挤压，摩擦力为零，物体在重力作用下开始沿竖直墙面下滑，所以开始时为滑动摩擦力，由F f =μF N ，又F N =kt ，所以F f =μKt ，即F f 随时间t 成正比增加，当F f 增大到等于G 时，物体具有一定速度，由于惯性仍然滑行，随着滑行的继续，最后物体静止于墙面，变为静摩擦力，竖直方向根据二力平衡，则有F f =G ，故选B 。

图V 1 f 图1.2-6解V图1.2-5[规律小结]摩擦力有滑动摩擦力和静摩擦力两种，它们的产生条件和方向判断是相近的。

．1．产生的条件：(1)相互接触的物体间存在压力；(2)接触面不光滑；(3)接触的物体之间有相对运动(滑动摩擦力)或相对运动的趋势(静摩擦力)。

注意：不能绝对地说静止物体受到的摩擦力必是静摩擦力，运动的物体受到的摩擦力必是滑动摩擦力。

静摩擦力是保持相对静止的两物体之间的摩擦力，受静摩擦力作用的物体不一定静止。

滑动摩擦力是具有相对滑动的两个物体之间的摩擦力，受滑动摩擦力作用的两个物体不一定都滑动。

2．摩擦力的方向：沿接触面的切线方向(即与引起该摩擦力的弹力的方向垂直)，与物体相对运动(或相对：运动趋势)的方向相反。

例如：静止在斜面上的物体所受静摩擦力的方向沿接触面(斜面)向上。

注意：相对运动是以相互作用的另一物体为参考系的运动，与以地面为参考系的运动不同，故摩擦力是阻碍物体间的相对运动，其方向不一定与物体的运动方向相反。

例如：站在公共汽车上的人，当人随车一起启动(即做加速运动)时，如图所示，受重力G 、支持力N 、静摩擦力f 的作用。

当车启动时，人相对于车有向后的运动趋势，车给人向前的静摩擦力作用；此时人随车向前运动，受静摩擦力方向与运动方向相同。

3．摩擦力的大小：(1)静摩擦大小跟物体所受的外力及物体运动状态有关，只能根据物体所处的状态(平衡或加速)由平衡条件或牛顿定律求解。

静摩擦力的变化存在一个最大值-----最大静摩擦力，即物体将要开始相对滑动时摩擦力的大小(最大静摩擦力与正压力成正比)。

(2)滑动摩擦力与正压力成正比，即N F F μ=，μ为动摩擦因数，与接触面材料和粗糙程度有关；N F 指接触面的压力，并不总等于重力。

※ 考点警示求摩擦力的关键是判定是静摩擦力还是滑动摩擦力，有些题目需要利用题设条件（如最大静摩擦力、加速度等）来判定是否发生了相对滑动。

点拨：当物体间存在滑动摩擦力时，其大小即可由公式N F F μ=计算，由此可看出它只与接触面间的动摩擦因数μ及正压力N F 有关，而与相对运动速度大小、接触面积的大小无关。

滑动摩擦力的大小也可以根据物体的受力与运动状态求解。

正压力是静摩擦力产生的条件之一，但静摩擦力的大小与正压力无关（最大静摩擦力除外）。